Множество явлений в физике и химии происходят со впечатляюще быстрой скоростью. Длительность многих таких процессов не удастся засечь при помощи обычных измерительных приборов. Долгое время ученые считали, что фемтосекунда - самая маленькая единица измерения времени в мире, однако новые исследования позволили получить ещё более впечатляющие результаты.
Почему счет наименьшими единицами измерения времени - научный прорыв?
Раньше исследователи уже погружались в сферу зептосекунд, самых маленьких единиц измерения времени в мире. В 2016 году ученые использовали лазеры для измерения времени с шагом до 850 зептосекунд. Эта точность - огромный скачок по сравнению с работой, получившей Нобелевскую премию 1999 года, в которой время впервые измерялось в фемтосекундах, составляющих миллионные доли миллиардных долей секунды.
Для разрыва и образования химических связей требуются фемтосекунды, но для прохождения света через единственную молекулу водорода (H2) требуются лишь зептосекунды - минимальные единицы измерения времени.
Чтобы измерить это чрезвычайно короткое «путешествие», физик Рейнхард Дёрнер из Университета Гете в Германии и его коллеги сняли рентгеновские лучи из PETRA III на Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ускорителе частиц в Гамбурге и измерили это в зептосекундах.
Как ученые измерили длительность зептосекундами?
Чтобы измерить процесс минимальной единицей измерения времени ученые установили энергию рентгеновских лучей так, чтобы один фотон (частица света) выбил два электрона из молекулы водорода. Напомним, что молекула водорода состоит из двух протонов и двух электронов. В результате фотон оттолкнул от молекулы сначала один, а затем и другой электрон, как камешек, прыгающий по глади пруда.
Эти взаимодействия создали волновое изображение, называемое интерференционной картиной, которую Дёрнер и его коллеги смогли измерить с помощью инструмента, называемого COLTRIMS. По сути, он является очень чувствительным детектором частиц, который может регистрировать чрезвычайно быстрые атомные и молекулярные реакции. Это было необходимо для дальнейшего измерения в зептосекундах. Микроскоп COLTRIMS регистрировал как интерференционную картину, так и положение молекулы водорода на протяжении всего взаимодействия.
«Поскольку мы знали пространственную ориентацию молекулы водорода, то использовали интерференцию двух электронных волн, чтобы точно рассчитать, когда фотон достиг первого и второго атома водорода», - рассказал Свен Грундманн, соавтор исследования по наименьшая единица измерения времени из Университета Росток в Германии.
В результате физики получили двести сорок семь зептосекунд, с некоторым пространством для маневра, зависящим от расстояния между атомами водорода внутри молекулы в точный момент, когда фотон пролетел мимо. Измерение, по существу, фиксирует скорость света внутри молекулы. «Мы впервые увидели, что электронная оболочка в молекуле не реагирует на свет», - сказано в заявлении Дёрнера. «Задержка по времени происходит потому, что информация внутри молекулы распространяется как раз со скоростью света».
Другие единицы измерения времени меньше секунды
- 1 аттосекунда (одна миллиардная миллиардной доли секунды)
Время, которое может быть выражено в аттосекундах: 43 аттосекунды длятся самые короткие импульсы лазерного света, которые когда-либо были созданы.
- 1 фемтосекунда (одна миллионная миллиардной доли секунды)
Взаимодействие света с пигментами сетчатой оболочки глаза длится около 200 фемтосекунд.
- 1 пикосекунда (одна тысячная миллиардной доли секунды)
Время существования кварков, редких субатомных частиц, получаемых в мощных ускорителях, составляет всего одну пикосекунду.
- 1 наносекунда (миллиардная доля секунды)
Микропроцессору в персональном компьютере потребуется от двух до четырех наносекунд, чтобы выполнить одну команду, к примеру, сложить два числа.
- 1 микросекунда (миллионная доля секунды)
За это время луч света в вакууме покроет расстояние в 300 метров, длину примерно трех футбольных полей.
- 1 миллисекунда (тысячная доля секунды)
Муха взмахивает своими крылышками один раз в три миллисекунды, а пчела – один раз за пять миллисекунд.